Эффект памяти формы Мазаев Павел Петров Алексей Группа

Эффект памяти формы Мазаев Павел Петров Алексей Группа МТ 8 -113

Эффект памяти формы (ЭПФ) – способность материала однократно восстанавливать первоначальную форму после деформации при нагреве. В сплавах, например Ni-Ti, это происходит благодаря термоупругому мартенситному превращению. ЭПФ нашло существенное применение в медицине, особенно в имплантологии. Имплантаты с ЭПФ восстанавливают заданную форму при температуре человеческого тела +36, 6°С. Также ЭПФ нашло применение в микро- и наноприборостроении. На основе композитов (нитинол + упругий слой) созданы нанопинцеты, способные захватывать и перемещать микро- и нанообъекты.

Эффект памяти формы • Восстановление формы при охлаждении после деформации, присущее ЭПФ-сплавам, претерпевшим обратное мартенситное превращение под напряжением или пластически деформированным в состоянии аустенита (как элемент двустороннего ЭПФ), также отнесено к ЭПФ

Эффект памяти формы • Мартенситное превращение – превращение решетки посредством деформации сдвига на основе кооперативного движения атомов • При подобном кооперативном движении сохраняется однозначное соответствие между узлами решетки исходной фазы и решеткой мартенсита (у исходной фазы упорядоченная решетка – у мартенсита также образуется упорядоченная решетка) • В основе ЭПФ и псевдоупругости лежит обратимое термоупругое мартенститное превращение

Эффект памяти формы • Кристаллы образующегося мартенсита при остановке охлаждения могут прекращать рост, а при последующем нагреве уменьшаются в размерах • Последовательность исчезновения кристаллов мартенсита при нагреве и обратном превращении мартенсита в аустенит повторяет последовательность их возникновения в обратном порядке

Псевдоупругость • Восстановление формы в ходе разгрузки при температуре деформации было названо псевдоупругостью Диаграмма деформации и разгружения при реализации сверхупругости (температура постоянна)

Сущность процесса восстановления формы Сущностью является обратное движение обратимых «носителей» деформации: межфазных, межкристальных и междвойниковых границ. Поэтому для понимания структурных механизмов восстановления формы и температурных условий их реализации необходимо знать структурные механизмы предшествующей деформации и температурные условия их реализации.

Условия проявления и механизмы ЭПФ •

Деформация в характерных температурных областях

Механизмы ЭПФ и их температурнодеформационные условия

Структурные механизмы обратимой деформации, обеспечивающие ЭПФ: • движение когерентной границы мартенсита с аустенитом (или мартенситом другого типа); • движение границ существующих двойников превращения; • деформационное двойникование мартенсита; • движение границы между кристаллами мартенсита; • образование кристаллов мартенсита новых ориентационных вариантов в существующем мартенсите.

Факторы, в совокупности обеспечивающие обратимость деформации 1. Должна быть обеспечена термоупругость мартенситного превращения при деформации ЭПФсплавов; 2. Должна быть обеспечена кристаллографическая обратимость мартенситного превращения: – решетка мартенсита должна иметь более низкую симметрию, чем решетка аустенита; – предпочтительна упорядоченная структура исходного аустенита; – наличие в аустените неподвижных дислокаций и дислокационных субграниц, наследуемых мартенситом, делает энергетически предпочтительным ориентационный вариант обратного превращения «точно назад» ; 3. Должна быть обеспечена обратимость движения дефектов решетки – носителей деформации.

Классификация ЭПФ Термомеханический возврат Механотермический возврат ведущий параметр – температура ведущий параметр – напряжение Односторонний ЭПФ Двусторонний ЭПФ Псевдоупругость

Системы сплавов с ЭПФ • • • Эффект памяти формы проявляется в сплавах Au-Cd Zn-Al Cu-Al-Ni Fe-Mn-Si Fe-Ni Cu-Al Cu-Mn Co-Ni Ni-Al

Наибольшее применение нашел сплав Ni-Ti. Достоинства: • Высокая коррозионная стойкость • Высокая прочность • Высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа. • Хорошая совместимость с живыми организмами. • Высокая демпфирующая способность материала. Недостатки: • Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами производстве надо использовать вакуумное оборудование. • Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием. • Высокая цена

Функциональные свойства •

Применение ЭПФ-сплавов • • • Медицина и стоматология Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего они приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию. Зажимы для защемления слабых вен. Крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях. Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости). Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе. Оправа для очков. В нижней части, где стекла крепятся проволокой. Пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании. Используется эффект сверхупругости. Ортопедические импланты. Проволока (ортодонтическая дуга) для исправления зубного ряда. Имплантаты дентальные (самофиксация расходящихся элементов в кости)

Применение ЭПФ-сплавов. Нанопинцет Микроманипулятор типа «Нанопинцет» Манипулирование стопкой графеновых листов Манипулирование пучком УНТ Манипулирование биологическим объектом (комар обыкновенный)

Применение ЭПФ-сплавов • • • Тепловая сигнализация Пожарная сигнализация. Противопожарные заслонки. Сетевой предохранитель (защита электрических цепей). Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах. Бойлерные баки тепловой регенерации. Устройство для удаления тепла из радиатора. Устройство для включения противотуманных фар. Регулятор температуры в инкубаторе. Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин.

Применение ЭПФ-сплавов